Singleton Pattern

0. 들어가면서

흔하게 접하는 디자인 패턴입니다. 너무 친숙한 나머지 저는 싱글톤 패턴(Singleton Pattern)에 대해서 잘 알고 있다고 착각하고 있었습니다. 관련된 글을 찾아보면서 제가 몰랐던 이야기들도 많다는 사실에 놀랐습니다. 정리하지 않으면 머릿속에 남지 않으니 글을 쓰면서 싱글톤 패턴의 개념을 정리하였습니다.

1. Singleton Pattern

Wiki
In software engineering, the singleton pattern is a software design pattern that restricts the instantiation of a class to one “single” instance.

이름에서 추측이 가능한 디자인 패턴입니다. 어플리케이션 내에서 하나의 인스턴스만 존재하도록 강제하는 패턴입니다. 여러 곳에서 싱글톤 객체를 공유해서 사용합니다. 싱글톤 패턴이 적용된 인스턴스는 전역적인 접근이 가능해야 합니다.

Diagram of Singleton Pattern

https://en.wikipedia.org/wiki/singleton-pattern-1.JPG

1.1. Benefits of Singleton Pattern

싱글톤 패턴을 사용하면 아래와 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

• 객체 로딩 시간이 줄어듭니다.
• 전역적으로 사용되므로 다른 인스턴스들이 데이터를 공유하기 쉽습니다.
• 하나의 인스턴스만 만들어 사용하기 때문에 메모리 낭비를 방지할 수 있습니다.

1.2. Cautions of Singleton Pattern

싱글톤 패턴을 사용하면 아래와 같은 내용들을 주의해야합니다.

• 멀티 스레드 환경에서 인스턴스가 1개를 초과하여 생성될 수 있습니다.
• 객체가 하나뿐이니 동시성(concurrency) 문제를 고려해서 설계해야 합니다.
• 싱글톤 객체가 너무 많은 일을 하거나 많은 데이터를 공유하는 경우 인스턴스들 간의 결합도가 높아집니다.

2. Implemet Singleton Pattern

2.1. Eager Initialization

• 생성자를 외부에서 호출하지 못하도록 접근 제어자를 private으로 지정합니다.
• static 키워드를 사용하여 클래스 로더가 초기화하는 시점에 정적으로 바인딩되도록 구현합니다.
• 해당 방법은 클래스가 최초 로딩될 때 객체가 생성되기 때문에 thread-safe 합니다.

public class Singleton {
    // Eager Initialization
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

2.2. Lazy Initialization

사용하지 않는 객체를 미리 만들 필요는 없습니다. 지연 초기화를 통해 필요한 시점에 객체를 생성합니다.

• 호출된 적이 없는 경우에는 자기 참조 변수가 null 상태로 존재합니다.
• 호출되면 해당 객체를 만들어 반환하고, 자기 참조 변수로 해당 객체를 참조합니다.
• 그 이후엔 만들어진 객체를 반환합니다.
• 해당 방법은 멀티 스레드 환경에서 스레드 안전하지 않습니다.

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    // Lazy Initailization
    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

2.3. Synchronized Lazy Initialization

• getInstance 메소드 호출 시 synchronized 키워드를 사용하여 임계 영역을 만듭니다.
• 해당 방법은 스레드 안전하지만, getInstance 메소드를 호출이 잦은 경우 동기화로 인한 성능 감소가 발생합니다.

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    // Lazy Initailization
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

2.4. Double Checking Locking Lazy Initialization

• 동기화 된 지연 초기화 방식을 사용할 때 발생하는 성능 문제를 해결합니다.
• 생성된 인스턴스가 없는 경우에만 동기화 블럭이 실행됩니다.

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    // Lazy Initialization. DCL
    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

Why to use volatile keyword?

volatile 키워드를 사용하는 이유는 멀티 스레드 환경에서 스레드 안전성을 보장하기 위함입니다. 어플리케이션에서는 작업을 수행하는 동안 성능 향상을 위해 메인 메모리(MM, main memory)에서 읽은 값을 CPU 캐시(cache)에 저장합니다. 멀티 스레드 환경에서 스레드가 변수의 값을 읽어올 때 CPU 캐시에 저장된 값을 읽는 경우 스레드마다 값이 다를 수 있습니다. volatile 키워드가 붙은 변수는 메인 메모리에 값을 저장하고, 읽기 때문에 캐시로 인한 값 불일치 문제를 해결합니다.

• 자바 volatile 키워드

2.5. LazyHolder Lazy Initialization

• 내부 static 클래스를 사용해 싱글톤 객체를 만들 수 있습니다.
• 스레드 안정성과 성능에 모두 좋은 지연 객체 생성 방법입니다.
• InnerInstanceClazz 클래스는 static 멤버 클래스입니다.
• Singleton 클래스 내부에 InnerInstanceClazz 객체를 참조하는 변수가 없으므로 getInstance 메소드를 호출할 때 클래스 로더(class loader)에 의해 초기화됩니다.

public class Singleton {

    private Singleton() {
        System.out.println("When am I called?");
    }

    /**
     * static member class
     * 내부클래스에서 static변수를 선언해야하는 경우 static 내부 클래스를 선언해야만 한다.
     * static 멤버, 특히 static 메서드에서 사용될 목적으로 선언
     */
    private static class InnerInstanceClazz {
        // 클래스 로딩 시점에서 생성
        private static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return InnerInstanceClazz.uniqueInstance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("before getInstance");
        Singleton.getInstance();
        System.out.println("after getInstance");
    }
}

2.6. Using Enum as Singleton Pattern

enum을 사용하면 스레드 안정성과 성능 문제를 해결할 수 있습니다.

• enum 생성은 스레드 안전성을 보장합니다.
• enum을 사용하면 복잡한 직렬화 상황이나, 리플렉션 공격에도 제 2의 인스턴스가 생성되는 것이 방지할 수 있습니다.
• volatile, synchronized 키워드 없이도 동시성 문제를 해결하기 때문에 성능이 뛰어납니다.

3. Singleton Pattern as Anti Pattern

싱글톤 패턴은 사실 안티(anti) 패턴이라고 합니다. 안티라는 단어는 좋은 뉘앙스는 아닙니다.

안티 패턴(anti-pattern)
소프트웨어 공학 분야 용어이며, 실제 많이 사용되는 패턴이지만 비효율적이거나 비생산적인 패턴을 의미한다.

어째서 유명한 싱글톤 패턴이 안티 패턴으로 불리는지 찾아보았습니다. 싱글톤 패턴은 안티 패턴이 된 이유는 다음과 같습니다.

• 객체 지향적 설계를 적용할 수 없습니다.
  • 하나의 객체만 만들기 위해 private 생성자를 사용합니다.
  • 이는 상속이 불가능하고 다형성 또한 제공할 수 없다는 의미입니다.
• 테스트하기 힘들다.
  • 만들어지는 방식이 제한적이기 때문에 테스트 더블(test double)로 대체하기 어렵습니다.
• 서버 환경에서는 1개의 인스턴스(instance)를 보장하지 못한다.
  • 서버에서 클래스 로더를 어떻게 구성하고 있느냐에 따라 하나 이상의 인스턴스가 만들어질 수 있습니다.
• 전역 상태를 만들 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
  • 싱글톤 패턴이 적용된 객체는 어디에서든지 누구나 접근할 수 있습니다.
  • 이는 어떤 객체든 싱글톤 객체를 자유롭게 수정하고 데이터를 공유할 수 있다라는 의미입니다.
  • 객체 지향 프로그래밍에서는 권장되지 않는 프로그래밍 모델입니다.

3.1. Singleton in Spring

싱글톤 패턴은 안티 패턴이지만, 스프링(spring)에서 해당 패턴을 많이 사용하지 않는가?

스프링은 사실 싱글톤 패턴을 사용하는 것이 아닙니다. 싱글톤 패턴은 어플리케이션 내에서 객체가 1개만 존재하도록 보장하기 위한 클래스를 정의하는 패턴입니다. 실제 스프링은 객체가 1개만 만들어지도록 클래스를 제한하지 않습니다. 일반적인 객체를 만들고, 이를 1개만 만들어 등록하고 재사용합니다. 이를 싱글톤 레지스트리(singleton registry) 방식이라고 합니다.

CLOSING

싱글톤 패턴에 대해 정리하다보니 GoF 디자인 패턴에서 설명하는 싱글톤 패턴은 일부 다른 점이 있어서 함께 정리하였습니다.

Singleton Pattern of GoF Design Pattern

• 생성자의 접근 제어자를 protected로 지정합니다.
  • GoF 디자인 패턴에서는 싱글톤 패턴이 적용된 클래스의 상속을 보장합니다.

class Singleton {
    public:
        static Singleton* Instance();
    protected:
        Singleton();
    private:
        static Singletone* _instance;
}

Singleton* Singleton::_instance = 0;
Singleton* Singleton::Instance () {
    if (_instance == 0) {
        _instance = new Singleton;
    }
    return _instance;
}

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• Test Double

REFERENCE

• 싱글턴 패턴(Singleton Pattern)
• 안티패턴
• https://ssoco.tistory.com/65
• https://sabarada.tistory.com/25
• https://jeong-pro.tistory.com/86
• https://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_pattern